獨家分析：維斯塔斯V236-15.0 MW動力總成

東方風力發(fā)電網獲悉：近期采埃孚風能邀請了《風能月刊》的Eize de Vries來了解正在與維斯塔斯開發(fā)的完全集成的15MW動力系統(tǒng)。本文由Eize de Vries撰寫，《風能月刊》發(fā)布，東方風力發(fā)電網獨家翻譯。

 

兩個接口環(huán)元件將連接維斯塔斯v236 -15.0MW渦輪機的主軸承單元和變速箱

 

維斯塔斯V236-15.0 MW（有史以來開發(fā)的最大和最強大的風力渦輪機之一）的準備工作正在全面展開，在我訪問之前，這家海上巨頭的第一個動力總成（包括主軸承單元、變速箱和發(fā)電機）已經從采埃孚風電在比利時洛默爾的生產設施運往丹麥Lindø。

 

總共將在Lindø海上可再生能源中心 （Lorc）*的機艙測試中心建造、測試和驗證三個初始動力總成原型。維斯塔斯是2009年首次建立Lorc的合作伙伴組織之一。它也在Lindø生產V164-9.5-10.0 MW和V174-9.5 MW系列機艙，V236機艙的生產也將從2024年5月開始增加。

 

在最初計劃的三個V236動力總成原型中，第一個特別關注系統(tǒng)集成和耐用性方面，而原型二和三則更加注重可維護性功能。今年，V236-15.0 MW原型機將采用其中一種動力系統(tǒng)。

 

在進入采埃孚原型活動（包括一些測試）的專用工廠空間之前，有匹配齒輪運動的特征背景聲音。它來自第二動力總成，安裝在“真正的”略微向后傾斜的位置，并正在接受空載功能系統(tǒng)測試，該產品的開發(fā)是維斯塔斯和采埃孚風電密切合作的一個令人印象深刻的成果。

 

這一戰(zhàn)略合作伙伴關系建立在2019年引入的原始5.6MW En Ventus中速技術原理的基礎上——包括直接連接到行星變速箱和永磁發(fā)電機（PMG）的主軸承單元的一個緊湊的創(chuàng)新布局。尤其引人注目的是，動力系統(tǒng)巨大的主軸承單元的尺寸，由四個大的集成安裝支架加固，使整個動力系統(tǒng)結構直接安裝到機艙底板。配套的空心鑄造主軸內部非常大，一個高大的人可以輕松地站在前段。

 

維斯塔斯V236-15.0MW渦輪機的機艙結構正在丹麥Lindø組裝

 

模塊化輪轂安裝法蘭也隨著規(guī)模的擴大而增加。但與EnVentus相比，由于有多個螺栓圈，它在功能上保持不變。特別是齒輪箱與巨大的主軸承單元相比，在直徑上看起來令人驚訝地緊湊，而且與維斯塔斯特有的亮藍色配色的發(fā)電機相比也更小。

 

 

“維斯塔斯為我們提供發(fā)電機和所有主要軸承部件的機械加工，”采埃孚的工藝工程主管保羅·德賴斯（Paul Dries）在參觀原型區(qū)時說。Dries領導著一個由40名工程師組成的團隊，負責開發(fā)和驗證所有重要的生產、組裝工具和方法，以便在未來高效地批量生產新型動力總成。這一具有挑戰(zhàn)性的過程需要轉移生產并尋找解決方案，以實現更大的組件和系統(tǒng)操作靈活性以及高度創(chuàng)新的新裝配技術的實施。

 

“一個例子是主軸承單元的垂直組裝方法，其中外殼和軸既大又重。 一個時間緊迫的動作，需要快速工作，是在實際安裝軸之前對軸承進行預熱，以進行收縮配合。我們還必須開發(fā)一種新的預張緊方法來匹配規(guī)模和相互關聯的復雜性。”Dries 說。

 

采埃孚風力發(fā)電公司的總體目標是為新設計重新利用現有的生產設施，包括可用的50噸門式起重機，以處理更大、更重的組件。Dries指出，僅V236主軸承的重量就幾乎相當于組裝好的EnVentus動力總成的重量。為了解決吊裝難題，他們增加了第二臺70噸的門式起重機，并將兩臺起重機串聯操作，用吊梁將兩臺起重機連接起來。

 

 

V236的行星齒輪箱在概念上類似于EnVentus變速箱概念，同樣是采埃孚的開發(fā)。四年前，在2018年《風能月刊》關于15MW級技術準備情況的采訪中，該公司首席技術官Martin Knops解釋說：“我們最大的差分式中速變速箱通過保留現有變速箱3米外徑，可以很好地擴展到15MW。我們需要做的是在第一齒輪級從四個行星齒輪切換到五個或更多行星齒輪。”

 

V236-15.0MW本身是為風力渦輪機開發(fā)的最強大的齒輪箱之一，與V162-6.2 MW相比，其扭矩水平高出三倍以上。因此，第一級行星運載器融合了幾個高度創(chuàng)新的特點，Dries說：“因為這個行星運載器吸收了最大的輸入扭矩，所以組件也最大，質量也最大。通過減小齒輪箱外徑以及與減小相一致的齒圈尺寸等其他部件，可以節(jié)省成本。在這些扭矩最高的階段，使用緊湊型軸頸軸承幾乎是必須的，現在已被證明是一種成熟的風力變速箱技術。”

 

行星載體是單個行星齒輪箱級的關鍵部件，由外圈齒輪、行星齒輪和太陽齒輪組成。這三個元件都將轉矩傳遞給同一個行星齒輪級或下一個行星齒輪級（或直齒齒輪）中的下一個元件——所有這些都將初始“低”轉子轉速提高到與匹配的發(fā)電機相適合的轉速水平。行星齒輪合并在行星載體子組裝中，旋轉或靜止，取決于所選的布局。第一級是指最靠近轉子的第一級低速行星齒輪箱級?，F代行星式風力渦輪機齒輪箱包括一個、兩個或三個行星級?，F在，對于更大的規(guī)模（更高的額定和/或更大的轉子）的風力渦輪機，三級已成為普遍現象。

 

工程師們通過將傳統(tǒng)的“由外向內”組裝方法轉換為新穎的“由內向外”組裝方法，最大限度地減少了行星齒輪之間的內部間距，從而解決了第一階段行星載體的組合挑戰(zhàn)。這使得有可能提高行星載體剛度到最大，同時在多行星階段設計中優(yōu)化載體和齒輪階段的質量。

 

技術負責人Bert Verdyck補充說，軸頸軸承和滾子軸承均用于采埃孚齒輪箱。自2018年推出ZF Shift 6k變速箱以來，變速箱扭矩密度有所增加，從當時的175Nm/kg記錄值上升到兩年后Shift 7k時的200Nm/kg。他說，低速和中速變速箱階段的軸頸軸承是一個關鍵的推動因素，而在第三階段，滾動軸承可能是一個節(jié)省成本的選擇，因為原則上有足夠的空間。

 

 

Verdyck補充道：“2020年，我們與Vestas的專家一起開始了V236-15.0 MW動力系統(tǒng)的開發(fā)，進一步加強了現有的項目和創(chuàng)新層面的密集合作。在EnVentus動力系統(tǒng)開發(fā)期間開始的工作，已經形成了一個全面的共享專有技術基礎，特別是對全集成齒輪傳動系統(tǒng)的高級聯合系統(tǒng)理解。”

 

關鍵的貢獻是通過共同應對設計挑戰(zhàn)、構建建模工具和共享結果、以及通過聯合測試和驗證來增加價值。他補充說，由于與維斯塔斯的密切合作，聯合團隊得以開發(fā)這種完全集成的動力系統(tǒng)，從采埃孚的角度來看，這是一個獨特的開創(chuàng)性的風能市場解決方案。

 

從一開始，模擬工作就集中在構建預測和完全理解系統(tǒng)行為的能力上，最初使用一個相對簡單的模型，旨在構建集成系統(tǒng)的專有技術。隨著設計的成熟，這些模型逐漸變得更加先進，工程師們將這些成果與Shift 7k和高度集成的EnVentus動力系統(tǒng)所積累的額外見解結合起來。

 

Verdyck說：“智能產品設計的關鍵是讓組件剛度和撓度的主要變量可預測，但這種‘為靈活性設計’的策略方法需要事先知道變形何時以及如何發(fā)生。”

 

“V236-15.0 MW開發(fā)面臨的三個最大挑戰(zhàn)是規(guī)模的巨大飛躍，包括尺寸和質量相關，以及組件、子組裝和全組裝水平。這種動力系統(tǒng)同時采用了Shift 7k和EnVentus的技術和解決方案，但主要的不同是，它現在的規(guī)模要大得多。”

 

 

雖然EnVentus的動力總成尺寸仍然可以通過公路運輸，但這對V236來說不再可行。因此，從早期階段開始，該團隊就計劃將這些完全組裝好的預裝動力系統(tǒng)直接運輸到附近水道的轉運地點。

 

采埃孚風電全球工藝工程主管克里斯•舒伊滕（Kris Schuyten）解釋說，只有2公里的路段可以由公路或鐵路覆蓋，但仍然存在物流方面的挑戰(zhàn)。“我們決定將有效管理產品流程的挑戰(zhàn)分成兩部分。一旦完成的動力系統(tǒng)被打包并準備交付，最后一個流程部分需要仔細觀察整個運輸過程。”他表示，“因此，我們與當地政府密切聯系，尋求最佳解決方案，包括具有成本效益的新基礎設施開發(fā)，與水路運輸的整合是最明顯的，但主要復雜性涉及到許多利益相關者。”

 

另一個與流程相關的部分是車間層面的產品集成。在這里，采埃孚的專家們已經在洛美爾和天津工廠擁有生產EnVentus動力總成的經驗。具體來說，當他們在中國為EnVentus公司開發(fā)新設施時，他們使用了一種先進的軟件工具，在建廠和設置組裝流程之前，建立了一個數字孿生工廠。他補充說，這包括虛擬預定義、3D檢查、優(yōu)化和驗證的所有必要裝配和物流步驟。 采埃孚的專家將使用相同的工具為Lommel工廠的V236-15.0 MW未來批量生產開發(fā)數字雙胞胎，以確?？焖佟⒂行У丶傻浆F有的制造設施中。

 

V236-15.0MW全動力總成的渲染圖

 

舒伊滕表示：“洛美爾面臨的另一個挑戰(zhàn)更為全面，那就是要徹底改變現有的配置，以適應未來的產品組合，包括維斯塔斯的動力系統(tǒng)。下一步是回答一個關鍵問題，即如何重新調整組裝過程，以實現特定的設計優(yōu)化，就像新的行星航母示例一樣。其他的可能性還包括產品流程優(yōu)化，比如最大限度地減少主要組件的內部流動。”

 

他總結道：“我們的最終目標是實現生產過程的全模塊化，以及動力總成的全測試、驗證和預調試。”